Файл: Косыгин, Ю. А. Основы тектоники.pdf

7І

при микроскопическом исследовании, а текстура — при макроско­ пическом. Разделение понятий «структура» и «текстура» по сумме признаков, бытующее в литологии, отлично от такового в петро­ графии изверженных пород. В применении к осадочным породам под структурой понимают обычно размерность и форму зерен [28], а в применении к изверженным, кроме того, — и взаимоотношения их [74]. Соответственно, текстурой осадочных пород называют взаим­ ное расположение частиц [28] и реже также их ориентировку по отношению как к поверхности наслоения, так и к Земле [38], а из­ верженных — расположение и распространение составных частей пород в пространстве [74]. Добавим, что в американской и совет­ ской геологической литературе понятия «структура» и «текстура» употребляются в прямо противоположных смыслах.

Разделение структуры и текстуры в петрографии представляется неудобным. В интересах создания общего научного языка в различ­ ных геологических дисциплинах целесообразно под структурой в петрографии понимать так же, как предлагается для тектоники, расположение и связи структурных элементов (зерен, обломков, агрегатов). Под текстурой же можно понимать лишь одну из частей характеристики структуры, например ориентацию структурных элементов.

В петрографии же часто содержится генетический оттенок в опре­ делениях структуры (например, катабластическая, катакластическая и каталитическая структуры). Различение текстуры как осо­ бенностей, которые отражают пространственные взаимоотношения составных частей и определяют собой общий внешний облик горной породы, явно выступающий макроскопически, и структуры как особенностей, выступающих при микроскопических исследованиях, очень сужает поле применения термина и как бы запрещает его использование в областях геологии, рассматривающих более круп­ ные, чем в петрографии, структурно-вещественные ассоциации.

Многозначность термина, обусловленность некоторых вариантов определения обозначаемых им понятий генетическими концепциями, стремление в некоторых случаях ограничить его микроскопическими размерами объекта и многие другие недоразумения, связанные с его использованием, а одновременно сознание того, что этот термин должен быть однозначен для геологии в целом и что иначе он не может быть элементом научного общегеологического языка, — все эти обстоятельства и соображения привлекают внимание к проблеме геологической структуры.

Автором совместно с Ю. А. Ворониным, Ч. Б. Борукаевым, В. А. Соловьевым и Л. Μ. Парфеновым было детально разработано понятие геологической структуры. Вначале под структурой слож­ ного геологического тела было предложено понимать «расположение составляющих его простых тел, охарактеризованных только объемом и формой» [91, стр, 30]; это же определение было отнесено к любой части статического геологического пространства. Позднее «те тела, по размерам, форме и взаимоотношениям которых определяется

І2 ---------------------------------------------------------------------------------------------

данная геологическая структура» [88, стр. 9], предложено было называть структурными элементами. Далее понятие об элементах сложного тела (или геологического пространства) было как бы раздвоено: элемент, охарактеризованный только в геометрическом смысле, назывался структурным, а тот же элемент, охарактеризо­ ванный в субстанциональном смысле, — вещественным. Таким обра­ зом, структура как чисто геометрическая характеристика сложного тела геологического пространства стала противопоставляться веще­ ственной ассоциации. На этой основе определение структуры было уточнено и была разработана методика ее описания [90]. В упомя­ нутых работах под структурой понимается количественно опреде­ ленная и измеряемая характеристика сложного геологического тела или геологического пространства, независимая от его генезиса и истории формирования. Исследование структуры в таком смысле входит в то фундаментальное описание геологических объектов, которое может служить основой для любых статических, генетиче­ ских и историко-геологических построений. Намеченный в этих работах путь исследования структуры может быть назван геометри­ ческим.

Исследование геологической структуры с учетом системного подхода

Структура в учении о кристаллах

Под структурой системы подразумевается совокупность отношений и связей между ее элементами. Если речь идет о геологических телах (кристаллы, горные породы, слоистые системы и геологиче­ ские формации, осадочная оболочка), то, имея в виду их структуру, под отношениями можно понимать пространственное расположение их элементов, а под связями — те силы, которые удерживают эле­ менты в пределах системы и обеспечивают, таким образом, ее суще­ ствование как органичной целостности. Именно так понимается структура в учении о кристаллах. «Кристалл определяется как однородная анизотропная бесконечная постройка, в которой атомы, ионы или их группы, занимая строго определенные геометрически закономерные места в пространстве, создают в совокупности кристал­ лическую структуру (решетку)» [144, стр. 154]. Ионы или группы ионов рассматриваются как структурные элементы кристалла, их пространственные отношения находят выражение в кристаллической (пространственной) решетке, органичная же их целостность опре­ деляется различными видами химических связей. Различают, в част­ ности, ионную связь, заключающуюся в электростатическом притя­ жении противоположно заряженных ионов (например, в хлористом натрии), ковалентную связь, заключающуюся в наличии общих электронов для нескольких атомов, металлическую связь, заклю­ чающуюся в наличии общих электронов для всех атомов (электрон-

73

ный газ), вандерваальсовскую (остаточную) связь, удерживающую нейтральные молекулы, являющиеся элементами кристалла.

В соответствии с системным подходом и по аналогии с кристаллами рассмотрим возможность применения понятия структуры к горным породам и другим геологическим структурно-вещественным ассо­ циациям, понимаемым в качестве систем.

Горные породы

Поскольку горные породы, как и минералы, представляют собой (или слагают) геологические тела и мы рассматриваем их в общем предмете геологии,, понятие структуры может быть для них только одинаковым. Если'для минералов (кристаллов) структура прежде всего определяется кристаллической решеткой с определенным рас­ стоянием и геометрическими отношениями между структурными элементами (атомами, ионами, молекулами), то структура горной породы также должна быть определена структурной решеткой. В качестве структурных элементов горных пород можно рассматри­ вать кристаллы в случае кристаллических пород и обломки в слу­ чае обломочных пород, объединенные общим наименованием зерен, или гранул. Центры масс зерен образуют структурную решетку. Для структуры горной породы, так же как и для структуры любого кристалла, характерна периодичность, т. е. неизменная повторяе­ мость в пределах области распространения породы некоторой эле­ ментарной группы структурных элементов. Для гранита элементар­ ной группой является минимальный по размерам агрегат, включаю­ щий все характерные для гранита породообразующие минералы, для мономинерального равномернозернистого песчаника — одно пес­ чаное зерно, с окружающим его цементом и т. д. Для того чтобы

лишь многократное повторение элементарной группы по всей обла­ сти распространения породы. Периодичность состава горных пород отмечалась многими. Ф. Ю. Левинсон-Лессинг писал, например, что в «изверженной породе кристаллические зерна каждого минерала равномерно распределены по всей породе, зерна разных минералов чередуются, вообще говоря, поодиночке, и поэтому структура и со­ став такой породы являются вполне однородными во всех частях, как можно убедиться на примере гранита» [100, стр. 75].

Структурные решетки горных пород могут быть различными. Равномернозернистые пески, состоящие из хорошо окатанных сфе­ рических зерен при наиболее плотной их укладке, будут обладать правильной тетраэдрической решеткой, с равным расстоянием между центрами масс смежных зерен. Пески с менее плотной укладкой могут обладать правильной кубической решеткой с равным расстоя­ нием между центрами масс соприкасающихся зерен. Аналогичные решетки могут существовать у равномернозернистых пород с изометричньіми кристаллами,

74

Если элементарная группа состоит из нескольких структурных элементов (кристаллов, обломков) разной формы и величины, струк­ турная решетка каждой такой элементарной группы может характе­ ризоваться неравными расстояниями между центрами масс и быть асимметричной. Такая структурная решетка представляет собой как бы гнездо (ритм), многократно повторяющееся по всему объему данной горной породы, подобно узору на обоях. Если гнезда (ритмы) равны по объему и изометричны, то они образуют правильную регу­ лярную структурную решетку.

Введем понятия плотности, сжатия и нерегулярности решетки. Плотность решетки может выражаться количеством центров масс структурных элементов на единицу объема породы. Таким образом, чем более крупнозернистой является порода, тем

ее структурная решетка менее плотна.

Под сжатием решетки будем понимать нарушение правильности решетки в том смысле, если расстояния между цен­ трами масс смежных структурных элементов являются относительно сокращенными вдоль одной или двух координатных осей. В первом случае решетка может быть названа слоистой, во втором—линей­ ной. Решетки этого типа характеризуют ориентированные структуры горных пород. Сжатие решетки следует стремиться выражать коли­ чественно, например отношениями средних расстояний между цен­

решетки, сжатой по х и у с направлением течения по z (здесь fχy среднее расстояние между центрами масс в плоскости ху, a rz — среднее расстояние по оси z).

Под нерегулярностью решетки следует понимать неодинаковость расстояний между центрами масс структурных элементов, или гнезд. В правильных решетках обязательны равнозернистость, изометричность зерен и их плотная однородная упа­ ковка. Нерегулярность решетки создается при нарушении этих условий и может быть охарактеризована статистически гистограммой расстояний между центрами масс. Дисперсия этой величины может служить количественной характеристикой нерегулярности решетки. Кстати сказать, нерегулярные решетки широко распространены и в минералах. Так, стекловатые массы обладают нерегулярными решетками атомов (молекул); причем степень нерегулярности этих решеток может быть различной и в принципе быть выражена гисто­ граммами межатомных расстояний.

Располагая величинами плотности, сжатия и нерегулярности решеток, можно сравнивать и классифицировать структуры горных пород.

Кроме зерен (кристаллов) в горных породах присутствует или

75

цемент или нераскристаллизованная масса горной породы заполняет межзерновые промежутки, сливающиеся в сплошную массу, и пред­ ставляет собой, таким образом, «проникающий» на всю область распространения породы структурный элемент, для которого поня­ тие центра массы не имеет смысла при определении структурной решетки, образованной зернами. Поэтому цемент (или нераскри­ сталлизованная масса) должен рассматриваться как особая среда. При переходе ко второму ярусу структурной модели можно и сле­ дует характеризовать отдельно структуру зерен (прорастание, зональность строения и т. д.) и структуру цемента, имея в виду, что «чем глубже модель, т. е. чем больше ярусов оригинала она моделирует, тем ближе свойства модели к свойству оригинала» [113, стр. 11 ]. При всем этом следует иметь в виду, что определение структуры породы в целом, структуры цемента и структуры зерен представляют собой самостоятельные, хотя и дополняющие друг друга задачи.

В качестве самостоятельной компоненты структуры породы можно рассматривать совокупность пор, или поровое пространство,

воды, нефть и природный газ. Важнейшими характеристиками порового пространства горных пород являются их пористость и про­ ницаемость.

Когда речь идет о структуре кристалла, имеются в виду не только кристаллическая решетка в геометрическом смысле, но также и те связи, которые удерживают структурные элементы кристалла в определенном положении друг относительно друга и обеспечивают целостность и прочность кристалла. Эти связи для кристаллов являются гетерогенными — они могут быть ионными, ковалент­ ными, металлическими и вандерваальсовскими. Очевидно, что вопрос о связях между структурными элементами должен быть рассмотрен и для горных пород. Связи эти также являются гетерогенными.

Существуют горные породы, структурные элементы которых практически лишены связей, удерживающих их в определенном порядке, как это имеет место, например, в случае сыпучих песков. Правда, даже сыпучие пески удерживаются в виде компактных масс (дюны, барханы), ограниченных склонами, определяемыми углами естественных откосов, зависящих от сил трения, возникаю­ щих между зернами песка. Влажный песок более прочен благодаря силам поверхностного натяжения содержащейся в породе жидкости. Небольшие объемы влажного песка могут удерживаться в любых формах. Однако при заполнении пор жидкостью чистые несцементи­ рованные пески часто приобретают свойство текучести (плывуны) — они свободно текут, подчиняясь поведению насыщающей их жид­ кости.

Значительно прочнее связи в глинистых породах между их струк­ турными элементами — коллоидными частицами, частицами более крупных (0,001—0,05 мм) размеров, окруженными коллоидными